[發(fā)明專利]一種共摻雜的納米多孔鋅基合金一體式負極及其制備方法

在審

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• 申請日: 2022-03-21
• 公開（公告）號: CN114759168A
• 公開（公告）日: 2022-07-15
• 發(fā)明（設計）人: 康建立;閆琳;宗皊碩;趙乃勤
• 申請（專利權）人: 天津大學
• 主分類號: H01M4/24
• 分類號: H01M4/24;H01M4/26
• 代理公司: 天津萬華知識產(chǎn)權代理事務所(普通合伙) 12235
• 代理人: 梁改改

本發(fā)明公開了一種共摻雜的納米多孔鋅基合金一體式負極的制備方法，包括以下步驟：(1)合金制備：采用熔融鑄造法制備多元鋅基合金錠，所述多元鋅基合金中，摻雜元素為Cu、Ni或Al其中的一種或多種；(2)將步驟(1)制備得到的合金錠加工制備成50μm?2mm厚的合金條帶或薄片；(3)將步驟(2)制備得到的合金薄片采用化學脫合金化的方法制備出孔徑在50?300nm左右的納米多孔鋅基合金一體式負極；(4)將步驟(3)制備得到的納米多孔鋅基合金一體式負極進行熱處理。本發(fā)明使用的方法由于是在納米多孔金屬基體上原位負載鋅，所以與基體的結合更緊密，鋅負載量可控，以解決鎳?鋅電池電極鋅負極表面生成過多鋅枝晶、發(fā)生副反應的技術問題。

技術領域

本發(fā)明屬于鎳-鋅電池技術領域，尤其涉及一種共摻雜的納米多孔鋅基合金一體式負極，以及上述負極的制備方法。

背景技術

隨著經(jīng)濟規(guī)模的發(fā)展，化石能源資源匱乏，這使得人們對于能源的需求不斷增長。近年來，鋰離子電池為代表的電化學儲能器件雖得到了廣泛研究，但鋰資源儲量較低，且價格高昂，這阻礙了鋰離子電池的應用。

鋅鎳電池以氧化鋅為負極材料，氫氧化鎳為正極材料，以氫氧化鉀水溶液為電解液構成的堿性二次電池。鋅鎳電池不僅在家用電器、電動玩具、電動門窗等小型負載方面得到應用，在安全性要求高的電動自行車、電動汽車、高鐵電源、儲能基站備用電源等領域也具有很好的商業(yè)前景。

金屬鋅(Zn)雖然具有高的理論比容量、低的氧化還原電勢、原料豐富和天然的安全性等特點而成為鎳-鋅電池最理想的負極材料之一；然而，金屬Zn在水中很容易發(fā)生腐蝕和產(chǎn)氫等反應，因此會降低庫倫效率，消耗水和金屬Zn，促進鋅枝晶的生長以至于降低對應器件的性能，甚至不能正常運行。現(xiàn)有的改進方法主要為：表面引入金屬、金屬氧化物等保護層來抑制產(chǎn)氫或鋅枝晶的生長。但是，這些方法不僅增加了整個鋅片的質(zhì)量，而且合成步驟繁瑣，所需條件苛刻，不能大規(guī)模生產(chǎn)。

為了解決現(xiàn)有技術中存在的以上問題，我們提出一種共摻雜的納米多孔鋅基合金一體式負極及其制備方法。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于為解決上述目前存在的鋅負極枝晶生長嚴重的問題，提供一種共摻雜的納米多孔鋅基合金一體式負極的制備方法，該制備方法引入納米多孔金屬，同時對其進入元素摻雜，成功制備出共摻雜的納米多孔鋅基合金一體式負極，鋅原位負載在納米多孔金屬基體上，故而兩者能夠緊密生長在一起，很難脫落。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供如下技術方案：一種共摻雜的納米多孔鋅基合金一體式負極的制備方法，包括以下步驟：

(1)合金制備：采用熔融鑄造法制備多元鋅基合金，所述多元鋅基合金中，Zn的原子比例是60-90％，摻雜元素為Cu、Ni或Al其中的一種或多種，摻雜元素的原子比例是0-40％；

(2)將步驟(1)制備得到的合金錠加工制備成50μm-2mm厚的合金條帶或薄片；

(3)將步驟(2)制備得到的合金薄片采用化學脫合金化的方法制備出孔徑在50-300nm的納米多孔鋅基合金一體式負極；

(4)將步驟(3)制備得到的納米多孔鋅基合金一體式負極進行熱處理，熱處理的工藝是：在氬氣和氫氣的混合氣氛下，控制氫氣在混合氣體中的比例為5-15％，升溫速率為2-10℃/min,熱處理溫度為150-500℃，熱處理的時間為5-30min，熱處理之后得到共摻雜的納米多孔鋅基合金一體式負極。

優(yōu)選的，所述步驟(1)中的合金錠的制備方法為利用電磁感應熔煉、澆鑄和均勻后退火工藝得到均相的多元鋅基合金錠，退火溫度控制在500-900℃，退火時間為0.5-3h。

優(yōu)選的，所述步驟(2)中制備加工的方法為利用熔煉甩帶或線切割儀器，有效控制合金的尺寸，得到50μm-2mm厚的合金條帶或薄片。